卫星在热带气旋快速增强观测中的应用进展

张 淼 ， 邱 红 ， 覃丹宇 ， 寿亦宣

中国气象局 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 国家卫星气象中心， 北京 100081

0 引 言

热带气旋(tropical cyclone,TC)快速增强(rapidly intensifying,RI)是指在某一时段内TC强度大幅上升，不同学者对TC RI的判别标准存在差异，但国际上较为广泛使用的是Kaplan等(2003)使用的判别标准，即取24 h近中心最大风速变化大于95%的样本(30 kn，约15.4 m/s)。TC RI对我国影响大而又难以预报(端义宏等，2005)，RI的预报水平一直滞缓不前，根本原因是对RI的物理机制缺乏认识。目前用于解释TC突然增强的理论主要有4个：第二类条件不稳定机制、合作增强机制、风驱动海气交互不稳定机制和旋转对流机制(张兴海，2017)。RI是TC内部结构变化(TC的眼壁特征、对流的分布等)、下垫面(暖的海表面温度、深厚的暖海洋混合层、地形等)和大尺度环境场(较弱的垂直风切变，较高的低对流层相对湿度、条件不稳定、大尺度的上层水平辐散、低层辐合等)共同作用的结果(Kaplan and DeMaria，2003；Wang and Wu，2004)。而环境场或是下垫面对RI过程的影响也是通过对TC内部结构的影响来间接造成的(陆益，2012)。

RI多发生在常规观测资料稀少的海洋上，因此卫星探测技术提供了更多的RI TC内部结构信息，能够进一步加强对TC强度变化规律的认识。气象卫星历经半个世纪的发展，取得了举世瞩目的成就(卢乃锰等，2016a)。除美国、欧洲、中国、日本业务气象卫星外，各气象卫星组织和运行国还发展了专用科学试验卫星，如“热带降水测量任务”卫星计划(TRMM/GPM)等。星上载荷实现了从单光谱到多光谱,从二维到三维，从单一的光学遥感到紫外、可见、红外和微波的全谱段综合气象探测(卢乃锰等，2016a)。文中将总结国内外气象卫星在TC RI观测中的应用及存在的问题和未来发展方向。

1 静止轨道卫星资料在TC RI中的应用

静止轨道卫星高度高、视野广阔，与地面的位置相对保持不变，可以连续监测TC RI内部结构演变。当云层较厚时，红外通道亮温越低，对应的云顶高度越高，说明对流越旺盛，对流云的发展不仅在垂直方向输送热量、水汽和动量，并且其引起的水汽凝结潜热释放是TC发展过程中主要的能量来源。因此一些学者(Steranka et al，1986；阎俊岳等，1997；陆益，2012；Monette et al，2012；王新等，2018)利用静止卫星红外通道亮温资料研究了TC RI与内部强对流云之间的关系，发现TC中心附近的强对流云对RI的发展具有重要影响，最核心区0—50 km范围内的云上升运动增强对TC RI贡献显著，且将红外通道亮温参数加入预报模型，预测能力略有提升。另外，由连续的静止轨道云图计算得到的云导风可监测TC高空的流出气流(Oyama et al，2016)，Oyama(2017)利用MTSAT的云导风资料研究TC RI表明，TC在高空流出气流达到最大后的0—36 h内发生RI。

虽然静止轨道卫星可以连续监测TC RI内部结构演变，但空间分辨率较低且大角度观测时精度较差，且静止轨道卫星上的载荷仪器技术要求高，地面控制难度大，因此许多新的高科技观测仪器都无法在静止轨道卫星上运行，导致静止轨道卫星在RI TC内部结构的探测能力上略显不足。

2 极轨卫星资料在TC RI中的应用

2.1 被动微波探测在TC RI中的应用

微波探测可以穿透上层卷云，探测到卷云下的TC结构特征(Zhang et al，2017)，微波垂直探测器MSU、SSM/T、SSMIS、AMSU-A、ATMS、MWTS-II等，可以测得TC对流层中上层的暖核信息(张淼等，2017)，目前研究发现对流层高层暖核可能是导致TC RI的一个重要因素(Zhang and Chen，2012；Chen and Zhang，2013；Tang et al，2019)。微波成像仪SSM/I、SSMIS，AMSR-E、WindSat、AMSR-2、MWRI、TMI、GMI等可以清晰看到TC的双眼墙结构和双眼墙替换过程(Kuo et al，2009；Yang et al，2013)，而眼墙替换过程通常伴随着TC RI的发生(Robert et al，2007)。

微波的低频通道亮温受液态降水粒子的发射辐射作用而升高，高频通道亮温受降水冰粒子的散射衰减作用而降低，因此一些学者(Rao et al，1994，1997；Cecil and Zipser，1999；Jones et al，2006；Harnos and Nesbitt，2011；Jiang，2012；Kieper and Jiang，2012；Jiang and Ramirez，2013；Iii et al，2015；Harnos and Nesbitt，2016；张宸，2018)利用微波亮温特征来研究TC RI。Cecil和Zipser(1999)、Rao等(1994，1997)研究指出85 GHz亮温与TC未来24 h的强度高度相关；Jones等(2006)在SHIPS中加入19 GHz微波亮温参数，提升了模型对TC RI的预报能力；张寰(2018)在TC强度估计模型中加入85 GHz和37 GHz微波亮温参数，表明对TC RI的预报效果有所改善；Jiang等(2012，2013)的研究同样发现相比于非RI TC，RI TC的85 GHz 通道亮温更低。Kieper and Jiang(2012)指出,37 GHz彩色合成图像上青色和粉色的对称环特征是RI发生的一个很好的预报因子。Harnos和Nesbitt(2011，2016)在85 GHz图像上发现了类似的对称环，即85 GHz通道亮度小于250 K的50%概率环，并指出该环的出现可以用来预报RI。Lii等(2015)也研究了85 GHz通道亮温与TC增强率之间的关系，指出具有较大增强率的TC在其增强时具有更多的对称分布特征。

2.2 降水测量雷达在RI中的应用

热带降水测量卫星(TRMM)自1997年发射以来积累了大量TC RI资料，其携带的降水雷达是气象卫星上搭载的首部主动遥感仪器，TRMM的后续卫星GPM上搭载了首部双频降水雷达，均提供了降水的三维结构信息。许多学者(Kelley et al，2004；Jiang，2012； Kieper and Jiang，2012；Jiang and Ramirez，2013；Zagrodnik and Jiang ，2014；诸葛小勇，2014；Tao and Jiang，2015；Tao et al，2017；杨朝虹，2018)利用雷达反射率廓线或反演的降水廓线参数来研究TC RI，目前降水产品的精度优于25%。

杨朝虹(2018)和Kelley等(2004)研究发现当TC眼墙存在一到多个热塔(20 dBZ雷达反射率范围大于14.5 km)时，TC增强的几率增加；诸葛小勇(2014)研究发现热塔可以用来预报TC RI；Jiang(2012)同样发现当TC内核存在热塔时，TC增强的概率增加，但这种概率的增加并不是必然的，因此，他认为TC内核热塔的存在并不是TC增强的充分必要条件。Kieper和Jiang(2012)研究指出RI发生的必要条件是TC内核具有较大面积的高总柱降水量；Jiang和Ramirez(2013)的研究进一步将RI发生的条件定量化，指出TC内核总降水面积大于3 000 km2，总柱降水量大于5 000 mm/(h.km2)是RI发生的必要条件。Zagrodnik等(2014)综合利用TRMM的多种资料研究表明，中到深的对流云降水和潜热释放只有在RI进行了至少12 h后才会在TC中心50 km内显著增加，其他的降水贡献主要来自较浅的对流云和层云降水。Tao等(2015，2017)进一步研究了不同层次不同类型降水与RI发生之间的关系，结果表明TC内核浅层降水是RI发生的先兆因子，且相对于对流云降水，层云降水在TC RI过程中具有更重要的作用。

2.3 风场测量仪器在TC RI中的应用

星载微波散射计(AMI、NSCAT、Seawinds、ASCAT、RapidScat、HY-2、OSCAT等)、辐射计(SSM/I、SSMIS，AMSR-E、WindSat、AMSR-2、MWRI、TMI、GMI等)、高度计(ERS-1/2、TOPES/POSEIDON、Jason-1/2、ENVISAT、HY-2等卫星上的Altimeter)、合成孔径雷达(SAR、ASAR等)、全球卫星导航系统反射信号遥感技术(UK-DMC、CYGNSS、UK-TDS-1等卫星上的GNSS-R)均可对海面风进行观测，融合风场的风速精度优于2 m/s(风速小于等于20 m/s 时)或10%(风速大于等于20 m/s 时)，风向精度优于20°，海面风场资料在TC结构分析中具有重要作用。

Chen等(2011)利用QuikSCAT洋面风卫星资料将TC分成紧凑型和松散型两类，发现紧凑型台风发展较快。Carrasco等(2014)同样发现台风尺度与TC RI之间存在联系。徐威等(2017)研究了西北太平洋TC RI阶段的风速分布特征，发现RI TC通常结构更紧凑，最大风速更大，最大风速半径更小。Guo and Tan(2017)提出了TC丰满度的概念：即外围风圈与内核之间组成圆环的环宽，占外围风圈的比例。当这个比例越大，意味着台风越“丰满”，当台风变丰满了之后，就意味着台风正在增强，通过这种变化可以指示台风强度变化。

2.4 闪电成像仪在TC RI中的应用

热带气旋中的闪电活动与其内部的对流结构密切相关(Cecil and Zipser，2001；Petersen et al，2005)。因此，一些学者(Squires and Businger，2008；Jiang and Ramirez，2013；张文娟，2013；Xu et al，2017)利用TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)资料来研究TC RI，目前闪电检测准确率优于90%。探测虚警率低于10%(夜间)、20%(白天)，定位精度小于等于3 pixel。Squires and Businger(2008)研究发现：热带气旋快速增强阶段，眼壁上出现闪电爆发。张文娟等(2013)的研究指出TC RI过程中内核区域的闪电活动最强，内核的闪电活动对TC RI具有一定指示作用。Jiang和Ramirez(2013)、Xu等(2017)分析发现眼壁(外雨带)闪电爆发与TC 快速增强呈负(正)相关关系。

2.5 云雷达在TC RI中的应用

2006年发射的Cloudsat卫星上搭载了云廓线雷达(CPR)，提供了TC的三维云微物理结构特征(Subrahmanyam et al，2018)。Wu和Soden(2017)利用Cloudsat TC数据集研究了云水含量的结构和数量与TC强度变化的关系，结果表明增强的TC比减弱的TC多20%云冰含水量，特别是在对流层中靠近眼壁的位置。Zhang等(2019)利用Cloudsat TC数据集对西北太平洋的RI TC及非RI TC进行了合成分析，结果表明6—11 km反射率在-10—10 dBz之间分布的“连续性”可能是TC增强的重要指标，且在冻结层附近有较大的液态水含量及上层有较高的冰水含量的TC在未来的24 h内更易发生RI。

2.6 极轨卫星资料在TC RI应用中存在的问题

尽管极轨卫星观测仪器更加丰富，然而较长的重访周期限制了其在TC RI中的应用。且受轨道覆盖范围的限制，不能保障每次都能观测到TC，因此无法满足TC RI时间演变分析的需求。表1汇总了极轨卫星各类遥感资料的优势和不足。

表1 极轨卫星各类遥感资料的优势和不足

3 结论与展望

卫星资料提供了生成在海上的RI TC的更多有效探测信息，静止轨道卫星可以连续监测TC RI内部结构演变，红外云图可监测TC RI内部强对流活动，云导风可监测TC高空的流出气流，且目前，美国的GOES-R及中国的FY-4静止轨道卫星上均搭载了闪电成像仪，为分析TC RI与闪电活动的关系提供了更连续的监测。但静止轨道卫星缺少了许多新的高科技观测仪器，如被动微波探测仪器、降水测量雷达、风场测量仪器、云雷达等，这些仪器为我们提供了RI TC内部的对流、降水、云微物理和风场等重要信息，但因其巨大的重量和体积及较低的信噪比，都只能在极轨卫星上首先运行，受卫星重访周期和轨道覆盖范围的限制，无法满足TC RI时间演变分析的需求。美国正在规划微波观测小卫星星座来实现同一地区的高频次观测(Bandyopadhyay et al，2015；Chung et al，2016)，国际气象卫星大国都在积极发展静止轨道微波探测技术(卢乃锰等，2016b)，发展小卫星星座及静止轨道微波探测加强RI TC内部的降水、云微物理和风场等重要信息的时间演变分析，并结合数值模拟进一步研究RI的物理机制将是下一步的发展方向。